非對(duì)稱(chēng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信在應(yīng)用中十分常見(jiàn)，非對(duì)稱(chēng)指的是某一方向的數(shù)據(jù)傳輸量明顯大于相反方向。高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要傳輸圖像數(shù)據(jù)，需要完成由PC向存儲(chǔ)設(shè)備的高速傳輸，它是非對(duì)稱(chēng)的。針對(duì)圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出了CameraLink標(biāo)準(zhǔn)[1]，美國(guó)自動(dòng)化成像協(xié)會(huì)提出了GigE Vision標(biāo)準(zhǔn)[2]。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均整合了相機(jī)，GigE Vision甚至集成了部分TCP/IP協(xié)議，而系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸是由以太網(wǎng)、高速接口級(jí)聯(lián)而成，故不可以直接使用以上標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，有著完備的協(xié)議和專(zhuān)用設(shè)備，如USB3.0[3]接口。但對(duì)于本系統(tǒng)簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高速傳輸，其實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。高速總線主要有HOTLink和低擺幅差分信號(hào)LVDS(Low Voltage Differential Signaling)[4]，其中LVDS可以在差分PCB線對(duì)或平衡電纜上以幾百兆至幾千兆比特每秒的速率傳輸數(shù)字信號(hào)，在實(shí)際中應(yīng)用較多，Cameralink標(biāo)準(zhǔn)的電氣連接也是基于LVDS的。

    為提高帶寬，LVDS標(biāo)準(zhǔn)提議使用提高總線位寬的方法[5]，三線同步串行傳輸已得到實(shí)現(xiàn)[6]。同樣，使用DDR傳輸也是提高帶寬的一種方法，也已實(shí)現(xiàn)[7]。
    本文結(jié)合增加總線位寬和DDR傳輸兩種方法，提出一種基于LVDS并口的通信協(xié)議：幀格式、數(shù)據(jù)分包方法，分析協(xié)議效率和基于停止等待ARQ的差錯(cuò)、流量控制方法，在IEEE802.3千兆以太網(wǎng)的應(yīng)用中證明該協(xié)議完全可行。
1 高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)
    高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通過(guò)存儲(chǔ)設(shè)備連接顯示設(shè)備，通過(guò)IEEE802.3千兆網(wǎng)卡連接控制計(jì)算機(jī),其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    千兆網(wǎng)卡和存儲(chǔ)設(shè)備分別由兩片FPGA控制，數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA通過(guò)高速接口傳輸至存儲(chǔ)設(shè)備，為使千兆網(wǎng)卡能全速工作，接口速率至少為1 Gb/s。

2 停止等待ARQ通信協(xié)議設(shè)計(jì)
2.1 協(xié)議電氣接口
    由于千兆網(wǎng)卡和SDRAM間為超短距離傳輸，故本協(xié)議使用LVDS接口。為提高接口速率，采用并行接口[5]；為減少傳輸數(shù)據(jù)冗余，采用源同步，即1路時(shí)鐘，4路數(shù)據(jù)，雙沿采樣(DDR)的源同步方式。此時(shí)當(dāng)時(shí)鐘頻率為150 MHz時(shí)，總理論帶寬就可達(dá)1.2 Gb/s。
2.2 幀格式
    通信協(xié)議的設(shè)計(jì)中首要問(wèn)題是幀格式的設(shè)計(jì)[8]。超近距離非對(duì)稱(chēng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信有源端、宿端明確、誤碼率低的特點(diǎn)，故幀格式設(shè)計(jì)依照減少冗余、降低校驗(yàn)復(fù)雜度的原則。其由命令幀和應(yīng)答幀組成，幀格式如圖2、圖3所示。傳輸數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度以字節(jié)為單位，上升沿發(fā)送高4位數(shù)據(jù)，下降沿發(fā)送低4位數(shù)據(jù)，每一個(gè)時(shí)鐘周期正好傳送1 B數(shù)據(jù)。

2.2.1 開(kāi)始停止界定符
   一幀的開(kāi)始由前導(dǎo)碼標(biāo)志，但無(wú)停止碼，數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度由長(zhǎng)度字段指示。為保證每次通信開(kāi)始時(shí)數(shù)據(jù)總線均發(fā)生翻轉(zhuǎn)，前導(dǎo)碼使用FF00；總線空閑時(shí)，保持最后發(fā)送的數(shù)據(jù)不變。
2.2.2 其他字段
    命令幀由長(zhǎng)度、類(lèi)型、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)字段構(gòu)成：長(zhǎng)度字段長(zhǎng)度為2 B，高字節(jié)先發(fā)，其表示“類(lèi)型”、“數(shù)據(jù)”、“校驗(yàn)”字段總長(zhǎng)度；類(lèi)型字段長(zhǎng)度為1 B，最多可表示256種命令(例：0x10:寫(xiě)寄存器，0x11:讀寄存器，0x12:寫(xiě)RAM數(shù)據(jù))；數(shù)據(jù)字段長(zhǎng)度可變，數(shù)據(jù)類(lèi)型為寫(xiě)寄存器時(shí)其由1 B的寫(xiě)寄存器地址和1 B的寫(xiě)寄存器內(nèi)容組成,為讀寄存器時(shí)由1 B的讀寄存器地址組成,寫(xiě)RAM時(shí)為待寫(xiě)入數(shù)據(jù)(由于長(zhǎng)度字段為2 B,所以待寫(xiě)入數(shù)據(jù)最長(zhǎng)為65 533 B)；校驗(yàn)字段長(zhǎng)度為1 B，為模256校驗(yàn)結(jié)果。
    應(yīng)答幀由長(zhǎng)度、類(lèi)型、操作結(jié)果、響應(yīng)、校驗(yàn)字段構(gòu)成：長(zhǎng)度、類(lèi)型、校驗(yàn)字段的構(gòu)成同命令幀；操作結(jié)果字段長(zhǎng)度為1 B，其表示接受端對(duì)命令的處理結(jié)果；響應(yīng)字段長(zhǎng)度可變，數(shù)據(jù)類(lèi)型為寫(xiě)寄存器時(shí)其為1 B長(zhǎng)度的寄存器內(nèi)容，寫(xiě)RAM時(shí)為2 B的已接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，主要用于流量控制。
2.3 收發(fā)流程
    由于使用源同步傳輸,系統(tǒng)不需要再進(jìn)行同步操作[9]，發(fā)送時(shí)將時(shí)鐘延遲數(shù)據(jù)90度以獲得更佳時(shí)序。每次通信由發(fā)送端發(fā)送命令幀開(kāi)始，發(fā)送端收到應(yīng)答幀結(jié)束。
    讀寫(xiě)寄存器幀格式相對(duì)固定，本文對(duì)寫(xiě)RAM操作分析。每次通信發(fā)送端發(fā)送命令幀，接收端在接收、處理完數(shù)據(jù)后響應(yīng)應(yīng)答幀。
    圖4為發(fā)送端處理流程,只要緩沖區(qū)內(nèi)有數(shù)據(jù)，發(fā)送端就組幀發(fā)送，每次發(fā)送有效數(shù)據(jù)的最大值可自定義(本文中為2 048 B)，發(fā)送完數(shù)據(jù)收到應(yīng)答幀后再進(jìn)行下幀的發(fā)送。

    圖 5為接收端流程，接收端啟動(dòng)后一直處在等待狀態(tài)，直到收到前導(dǎo)碼后啟動(dòng)接收流程，通過(guò)判讀長(zhǎng)度字段獲得幀長(zhǎng)信息，在接收校驗(yàn)完數(shù)據(jù)后應(yīng)答實(shí)際接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度給發(fā)送端并復(fù)位系統(tǒng)等待下次傳輸。

2.4 差錯(cuò)和流量控制
    通信中的誤碼率非零，為保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，協(xié)議中需包含校驗(yàn)部分以進(jìn)行差錯(cuò)控制。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，校驗(yàn)部分只進(jìn)行檢錯(cuò)，不進(jìn)行糾錯(cuò)，放棄使用常見(jiàn)復(fù)雜的CRC32校驗(yàn)，使用簡(jiǎn)單的256求模校驗(yàn)，即除前導(dǎo)碼、長(zhǎng)度字段外所有數(shù)據(jù)字節(jié)之和為256。
    當(dāng)發(fā)送端數(shù)據(jù)發(fā)送速率高于接收端處理速率或通信出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)需要進(jìn)行流量控制，本協(xié)議使用停止等待ARQ協(xié)議，停止等待ARQ在傳播延時(shí)較低的信道中工作良好[10]且易于實(shí)現(xiàn)。正常情況下發(fā)送端在收到最近發(fā)出的命令幀對(duì)應(yīng)的應(yīng)答幀后再發(fā)送下一命令幀，控制邏輯如下：
    (1) 發(fā)送端發(fā)送命令幀并啟動(dòng)延遲計(jì)數(shù)器，等待應(yīng)答幀；
    (2)接收端收到命令幀校驗(yàn)接收后將實(shí)際寫(xiě)入到緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度由應(yīng)答幀響應(yīng)給發(fā)送端，其間如果校驗(yàn)錯(cuò)誤則丟棄該幀數(shù)據(jù)；
    (3) 發(fā)送端收到應(yīng)答幀后根據(jù)響應(yīng)字段長(zhǎng)度決定重發(fā)、補(bǔ)發(fā)或繼續(xù)發(fā)送下幀數(shù)據(jù)(響應(yīng)長(zhǎng)度為0，重發(fā)數(shù)據(jù)；響應(yīng)長(zhǎng)度小于已發(fā)長(zhǎng)度，補(bǔ)發(fā)剩余數(shù)據(jù)；響應(yīng)長(zhǎng)度等于已發(fā)長(zhǎng)度，發(fā)送下幀數(shù)據(jù))，如果發(fā)送端等待應(yīng)答幀超時(shí)則重新發(fā)送上幀數(shù)據(jù)。
3 協(xié)議效率分析
    如圖2、圖3幀格式所示，高速并口協(xié)議在讀寫(xiě)寄存器操作時(shí)命令幀長(zhǎng)度較短，協(xié)議效率固定，而寫(xiě)RAM操作參數(shù)可以配置。因此，對(duì)寫(xiě)RAM操作的協(xié)議效率進(jìn)行分析有較大意義。
    協(xié)議效率主要受命令幀最大長(zhǎng)度、傳輸/傳播延遲和誤碼率影響。命令幀數(shù)據(jù)字段長(zhǎng)度最大值由人為設(shè)定，范圍為1~65 533 B，記為L(zhǎng)m/B；傳輸延遲由數(shù)據(jù)幀的總長(zhǎng)度決定，記為Dt/s；傳播延遲由通信鏈路的長(zhǎng)度所決定，記為Dp/s；收發(fā)系統(tǒng)工作頻率記為Fs/Hz，總傳輸有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度記為L(zhǎng)p/B，總傳輸數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為L(zhǎng)t/B，誤碼率為Er，通信線路長(zhǎng)度為Dis/m。則Dt=Lt×Fs，Dp=2×Dis/(2.8×108)。

    由圖 6可見(jiàn)，命令幀最大長(zhǎng)度一定的情況下，隨著通信鏈路長(zhǎng)度的增加(即傳播延時(shí)的增加)，協(xié)議效率將降低；在傳播延時(shí)一定的情況下，隨著命令幀最大長(zhǎng)度的增加，協(xié)議效率增加，但這種增加不是線性的，長(zhǎng)度達(dá)到2 000 B后增長(zhǎng)趨于平緩。
    最大命令幀長(zhǎng)度直接影響到收發(fā)端的緩沖空間，綜合考慮數(shù)據(jù)最大長(zhǎng)度為2 048 B、3 072 B或4 096 B最佳。此時(shí)在鏈路長(zhǎng)度為20 cm時(shí)效率可達(dá)99.26%、99.51%和99.63%。
    忽略傳播延時(shí)，由式(3)，數(shù)據(jù)最大長(zhǎng)度一定時(shí)，不同誤碼率下的協(xié)議效率如圖7所示。

    由圖 7可見(jiàn)相同誤碼率下數(shù)據(jù)最大長(zhǎng)度越大協(xié)議效率越高，當(dāng)誤碼率高于10-6時(shí)誤碼率才對(duì)協(xié)議效率有較大影響。誤碼率低于10-8時(shí)，最大長(zhǎng)度為2 048 B時(shí)效率可達(dá)99.27%，最大長(zhǎng)度為3 072 B時(shí)效率可達(dá)99.51%，最大長(zhǎng)度為4 096 B時(shí)效率可達(dá)99.64%.
   實(shí)際應(yīng)用中由于每次傳送的數(shù)據(jù)不會(huì)都按照最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度傳輸以及系統(tǒng)組幀、解幀需要時(shí)間，故協(xié)議效率會(huì)低于理論值。相對(duì)于IEEE802.3協(xié)議98.28%的理論效率[11]，本協(xié)議優(yōu)勢(shì)明顯。
    實(shí)際中，使用本通信協(xié)議進(jìn)行千兆網(wǎng)卡與SDRAM間的數(shù)據(jù)傳輸，通信鏈路長(zhǎng)度20 cm，鏈路誤碼率小于10-12，幀最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度2 048 B。千兆網(wǎng)卡以90 MB/s連續(xù)接收電腦端發(fā)來(lái)60 MB數(shù)據(jù)，高速接口可以準(zhǔn)確無(wú)誤地將數(shù)據(jù)傳送至SDRAM中。計(jì)算機(jī)發(fā)送1 480 000 B數(shù)據(jù)給千兆網(wǎng)卡，數(shù)據(jù)被分成了7 722幀，協(xié)議效率為96.96%(含傳播延時(shí)82.37%);計(jì)算機(jī)發(fā)送148 000 000 B數(shù)據(jù)給千兆網(wǎng)卡，數(shù)據(jù)被分成了817156幀，協(xié)議效率為96.97%(含傳播延時(shí)81.80%)。平均每幀有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度低于200 B，由此可見(jiàn)本通信接口在應(yīng)用中尚有較大裕量，系統(tǒng)中的速率瓶頸在千兆網(wǎng)絡(luò)處。
參考文獻(xiàn)
[1] BASLER. Camera link specifications of the camera link interface standard for digital cameras and frame grabbers[S]. October 2000.
[2] Automated Imaging Association. GigE vision 1.0[S]. May 2006.
[3] Universal Serial Bus 3.0 Specification Revision 1.0 [S]. June 6, 2011:47.
[4] 向冰.高速圖像串行總線傳輸[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2006(24):97-100.
[5] Electrical characteristics of low voltage differential signaling(LVDS) interface circuits revision 1.2[S].May,2000:10.
[6] 王文華,何斌，任建岳.LVDS三線同步串口的傳輸速率[J].液晶與顯示,2011,26(3):344-349.
[7] 盂令軍,張國(guó)兵，王宏濤,等.基于FPGA的LVDS高速差分接口應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2010，37(5):94-96.
[8] Zheng Qiao. An embedded short-range wireless data communication protocol design[C]. Apperceiving Computing and Intelligence Analysis, 2009:399.
[9] 陳瑩,高雙成.基于FPGA的LVDS接口應(yīng)用[J].電子科技2012,25(1):10.
[10] ALBERTO L G, INDRA W.通信網(wǎng)-基本概念與主體結(jié)構(gòu)[M].王海濤，李建華,譯.北京:清華大學(xué)出版社,2005.
[11] Carrier sense multiple access with collision detection(CSMA/ CD) access method and physical layer specifications[S].IEEE Std 802.3, 1998 Edition:76.